太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力學分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、本文首先根據(jù)實際碲化鉍熱電器件的結(jié)構(gòu)建立了有限元分析模型，并將其分析結(jié)果與碲化鉍器件韻測試結(jié)果進行了對比。結(jié)果顯示，在相同邊界條件的情況下，模擬結(jié)果和測試結(jié)果是基本吻合的，這證明本文的分析模型無誤。
　　 然后，建立了用于太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電的級聯(lián)熱電器件單P-N節(jié)的有限元分析模型，模型中考慮了接觸電阻的影響以及熱電材料參數(shù)隨溫度變化的實際情況，并分別對碲化鉍單P-N節(jié)和方鈷礦單P-N節(jié)在最大效率條件下不同結(jié)構(gòu)時的性能進行了

2、分析。結(jié)果表明，以P節(jié)碲化鉍1.8 mm×1 mm×1 mm、N節(jié)碲化鉍1.8 mm×1mm×0.98 mm、N節(jié)方鈷礦4.08 mm×1mm×1 mm和P節(jié)方鈷礦4.08mm×1mm×1.32mm的尺寸組成的級聯(lián)熱電單P-N節(jié)，當其在最寬溫域下工作時。低溫熱電單P-N節(jié)和中溫熱電單P-N節(jié)恰好在各自的最佳溫域工作，且都獲得了熱電轉(zhuǎn)化效率的極大值。此時，級聯(lián)熱電單P-N節(jié)在最佳設(shè)計下的熱電轉(zhuǎn)化效率的極大值可達11.922％。
　　

3、 接著，基于級聯(lián)熱電單P-N節(jié)的最佳設(shè)計方案，建立了太陽能熱電裝置的分析模型，模型中考慮了太陽能熱電裝置的實際工作條件以及各種熱損失的影響，對其在不同工況下的性能進行分析。結(jié)果表明。熱傳導(dǎo)損失、自然對流熱損失和熱輻射損失對太陽能熱電裝置的性能有顯著的負面影響，并增加聚光和裝置冷卻韻難度。在實際裝置中，應(yīng)盡量選擇熱導(dǎo)率低的材料作為P、N節(jié)間的填充物以降低熱傳導(dǎo)損失，應(yīng)采用真空絕熱等技術(shù)以降低自然對流熱損失，應(yīng)選用具有高太陽輻射吸收率和低

4、發(fā)射率的集熱體表面涂層以降低熱輻射損失。在絕熱材料熱導(dǎo)率為0.05 W/mK、集熱體表面發(fā)射率為0.1以及接觸電阻為50μOcm2的合理情況下，基于級聯(lián)熱電器件的太陽能熱電裝置在最寬溫域下工作時，其對太陽能的總利用率可達6.902％。
　　 然后，在熱效率分析的基礎(chǔ)上。根據(jù)火用分析的基本理論，建立了太陽能熱電裝置的火用分析模型。分析模型中考慮了太陽能熱電裝置各個組成部分的火用損失，對各種熱損失對太陽能熱電裝置火用效率的影響進行了

5、分析。結(jié)果顯示，熱傳導(dǎo)損失、自然對流熱損失和熱輻射損失對太陽能熱電裝置的火用效率有顯著的負面影響。因此，不論從能量“量”的角度還是從能量“質(zhì)”的角度。盡量降低熱傳導(dǎo)損失、自然對流熱損失和熱輻射損失對于太陽能熱電裝置都是非常必要的。在絕熱材料熱導(dǎo)率為0.05 W/mK、集熱體表面發(fā)射率為0.1以及接觸電阻為50μOcm2的合理情況下，基于級聯(lián)熱電器件的太陽能熱電裝置在最寬溫域下工作時的火用效率可達11.04％。
　　 最后，在熱電

6、子系統(tǒng)和光伏子系統(tǒng)的熱力學分析的基礎(chǔ)上，建立了太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力學分析模型，模型中考慮了分光波長對復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，并對復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的熱效率和火用效率進行分析。結(jié)果表明，將分光波長定為光電材料產(chǎn)生光電效應(yīng)的截止波長不僅可以使復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)獲得最大的能量轉(zhuǎn)化效率，而且可以使復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)獲得最大的火用效率，即其不論對于復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)對能量“量”的利用還是對能量“質(zhì)”的利用都是非常重要的。此時，太陽能熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的